徐 薇 方顯輪

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，高層建筑在越來越多的城市里涌現(xiàn)。大直徑樁因其承載力高、抗震效果好而經(jīng)常在超高層建筑中采用。國內(nèi)外規(guī)范如JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[1]、AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (8th Edition)[2]是把直徑是否超過0.8 m作為判斷是否為大直徑的標(biāo)準(zhǔn)。我國JTG F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[3]定義樁徑2.5 m以上為大直徑樁。但是現(xiàn)階段，許多高層建筑中所采用的樁基直徑多大于這些規(guī)范的規(guī)定。如廣州西塔采用了直徑4.8 m的嵌巖樁；深圳華潤灣商業(yè)中心最大樁基直徑4.5 m[4-6]。本研究基于的項(xiàng)目深圳平安大廈更采用了直徑8.0 m，擴(kuò)底9.5 m和直徑5.7 m擴(kuò)底7.0 m兩種直徑的樁基。由于目前的設(shè)計(jì)計(jì)算仍然沿用傳統(tǒng)規(guī)范的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)有的技術(shù)水平也無法對(duì)樁基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承載力測(cè)試試驗(yàn)。因此，為了更好的獲得這類樁基承載力變化規(guī)律，本文以深圳平安大廈項(xiàng)目超大直徑擴(kuò)底嵌巖樁為背景，展開數(shù)值計(jì)算分析，為今后類似工程提供有利的參考。

2 工程概況

深圳平安大廈位于深圳市福田區(qū)，總高度為600 m，118層，為華南地區(qū)第一高樓?；庸こ炭偣舱嫉孛娣e約為2萬m2，基坑底板深度33.8 m～39.5 m。施工過程中，基坑開挖至底部后再開挖樁基礎(chǔ)，采用嵌巖樁的設(shè)計(jì)方法，樁徑從1.7 m～8.0 m不等。其中支撐“巨型框架—核心筒—外伸臂”體系的為8根直徑8.0 m，擴(kuò)底9.5 m(圖1中 Z代表“樁”，A類樁)、16根直徑5.7 m，擴(kuò)底7.0 m(圖1中B類樁)的超大直徑擴(kuò)底嵌巖樁，樁長(zhǎng)范圍25 m～35.5 m?？箟簶冻休d力設(shè)計(jì)值如表1所示，設(shè)計(jì)承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的大直徑樁。場(chǎng)地內(nèi)地層起伏較大，樁周巖層由全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖組成。因此，必須考慮巖層的差異性對(duì)超大直徑擴(kuò)底嵌巖樁承載力的影響。

表1 抗壓樁承載力設(shè)計(jì)值

3 數(shù)值分析

3.1 基本假定

由于超大直徑嵌巖樁與巖層接觸面積遠(yuǎn)大于中小直徑樁，因此，樁周巖體的強(qiáng)度、不連續(xù)面分布情況、礦物組成以及巖體的各項(xiàng)異性等因素對(duì)樁基承載力的影響和變化情況遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的中、小直徑嵌巖樁。為了更好的反映巖石參數(shù)的影響，E. Hoek和E. T. Brown 在1980年基于大量的現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)和巖石三軸試驗(yàn)結(jié)果，提出了適用于工程巖體的Hoek-Brwon強(qiáng)度準(zhǔn)則。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前使用最多的是Hoek-Brwon2002準(zhǔn)則[7]。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；σc為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；mi,s均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反映巖石軟硬程度。D的取值為0～1，0說明施工中未擾動(dòng)，1說明完全擾動(dòng)。根據(jù)Hoek-Brwon2002準(zhǔn)則，在強(qiáng)度較差巖體里采用人工或機(jī)械開挖，D取0.5；當(dāng)大范圍的爆破開挖時(shí)，D取1?；诖耍居?jì)算采用FLAC3D軟件進(jìn)行分析計(jì)算，在模型計(jì)算中假定如下：

1)采用1/2軸對(duì)稱模型進(jìn)行單樁豎向承載力作用分析，樁身和樁周巖土體均采用實(shí)體單元建模；

2)基于樁身在實(shí)際受力中的承載力情況，采用彈塑性模型；樁周強(qiáng)風(fēng)化巖體采用Mohr-Coulomb模型?？紤]到巖層差異性的影響，中風(fēng)化和微風(fēng)化巖體采用Hoek-Brown準(zhǔn)則，基于巖體條件和現(xiàn)場(chǎng)施工方法對(duì)準(zhǔn)則中參數(shù)進(jìn)行修正；

3)為了考慮樁和巖體界面相互作用關(guān)系，在兩者界面間設(shè)置Goodman接觸面單元。

3.2 模型網(wǎng)格的建立

單樁豎向承載力計(jì)算時(shí)，x和y方向擴(kuò)至20倍樁半徑，z方向擴(kuò)至10倍樁長(zhǎng)，以消除邊界效應(yīng)的影響。計(jì)算樁基模型大小同設(shè)計(jì)，并按實(shí)際施工情況進(jìn)行逐級(jí)加載。單樁三維計(jì)算模型如圖2所示。

3.3 模型參數(shù)的選取

基于現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算中場(chǎng)地內(nèi)各巖層的力學(xué)參數(shù)如表2所示?，F(xiàn)場(chǎng)施工中采用人工挖孔的方法，對(duì)于巖層強(qiáng)度高的樁端則采用先現(xiàn)場(chǎng)爆破后人工機(jī)械挖孔的方法。綜合考慮，在中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖巖層中，采用Hoek-Brwon2002準(zhǔn)則時(shí)，綜合考慮本計(jì)算模型D取0.5。經(jīng)計(jì)算得到的模型計(jì)算參數(shù)和接觸面參數(shù)如表2,表3所示。

表3 樁接觸面參數(shù)

表2 大直徑擴(kuò)底嵌巖樁數(shù)值計(jì)算參數(shù)

3.4 模型加載

模型建立完成并賦參后先進(jìn)行自重平衡計(jì)算，隨后進(jìn)行地層初始位移場(chǎng)清零；第二步按現(xiàn)場(chǎng)施工工序進(jìn)行樁體的開挖和澆筑，計(jì)算完成后進(jìn)行第二次位移場(chǎng)清零；第三步進(jìn)行逐級(jí)加載至承載力設(shè)計(jì)值。如樁周土體無明顯塑性區(qū)或樁頂未發(fā)生突變，繼續(xù)計(jì)算至樁頂沉降出現(xiàn)突變或樁頂沉降達(dá)不合理范圍時(shí)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 樁頂沉降變化規(guī)律

本項(xiàng)目在2014年12月15日主塔樓結(jié)構(gòu)全部封頂，施工過程中在樁周布置了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC(如圖1所示)。限于篇幅，以ZA3樁為例，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工荷載加載級(jí)數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。兩者吻合較好，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4.2 荷載—沉降曲線分析

荷載—沉降曲線可反映樁在受力和荷載傳遞過程中位移變化關(guān)系。選取不同樁徑、相同樁長(zhǎng)的兩根樁的曲線進(jìn)行對(duì)比分析。樁ZA3和樁ZB2樁徑分別為8.0 m(擴(kuò)底9.5 m)和5.7 m(擴(kuò)底7.0 m)，樁長(zhǎng)均為持力層為微風(fēng)化花崗巖-2。在相同荷載作用下，兩根樁的荷載—沉降曲線均無明顯拐點(diǎn)，樁徑較小的嵌巖樁沉降遠(yuǎn)大于樁徑大的大直徑嵌巖樁。另一方面也反映了增大樁徑有利于提高樁基總承載力(見圖4)。

4.3 軸力和側(cè)摩阻力分布

選取樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的ZA1(35.5 m)為例，在逐級(jí)加載下，分析其軸力和側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，樁基軸力見圖5。樁體等直徑段軸力逐漸減小，樁身仍起到傳遞荷載的作用。但在樁身軸力在擴(kuò)底斜直線段這一位置處逐漸增大，分析原因是由于擴(kuò)底引起樁端截面面積的增大而導(dǎo)致軸力變大。在擴(kuò)底處的等直徑段，樁身軸力又表現(xiàn)和上部等直徑段一致，即逐漸減小。上部荷載越大，這種現(xiàn)象就越明顯。

樁周側(cè)摩阻力分布如圖6所示。隨著上部荷載的增大，巖體強(qiáng)度高的巖層側(cè)摩阻力也越大，與普通大直徑嵌巖樁變化規(guī)律一致。但是在擴(kuò)底斜線段出現(xiàn)了負(fù)摩阻力。分析原因是在加載過程中，隨著樁身側(cè)摩阻力沿深度不斷發(fā)揮作用時(shí)，樁身的豎向應(yīng)力對(duì)應(yīng)不斷減小，但是由于擴(kuò)底導(dǎo)致樁體軸力在擴(kuò)底范圍內(nèi)不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致了負(fù)摩阻力的產(chǎn)生。上部荷載越大，這種現(xiàn)象就越明顯。

4.4 荷載分擔(dān)比

仍以ZA1為例，各級(jí)荷載下不同巖層內(nèi)和樁端、樁側(cè)荷載分擔(dān)比如圖7所示。隨著加載的進(jìn)行，樁端阻力所占的比例從65%提高到75%，側(cè)摩阻力所占比例從加載初期的35%減小至25%。中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖為主要側(cè)摩阻力的提供者，而強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的承載力影響幾乎可以不考慮。因此，對(duì)于這類超大直徑樁來說，如果樁周存在強(qiáng)度較高的巖層，不能完全忽略其側(cè)摩阻力的影響，而是應(yīng)當(dāng)按摩擦端承樁來考慮設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

本文基于600 m深圳平安大廈大直徑嵌巖樁，采用FLAC3D進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。并同時(shí)考慮了巖體強(qiáng)度參數(shù)、施工擾動(dòng)等因素的影響。結(jié)果表明：

1)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則可以更好的考慮樁周巖體差異性的影響，提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2)隨著荷載的增大，樁端阻力幾乎承擔(dān)了所有荷載，但如果樁周存在強(qiáng)度較高的巖層，其側(cè)摩阻力不應(yīng)該忽略。

3)擴(kuò)底處樁端截面面積的增大會(huì)引起樁體擴(kuò)底部分斜直線段產(chǎn)生負(fù)摩阻力，在今后設(shè)計(jì)中需引起注意。